SPJ｜哈尔滨工业大学白成超教授团队：空间逆光探测成像技术的进展与发展趋势

近年来，因航天技术的迅速发展，轨道上物体数量不断增加，其中既包括正在运行的航天器，也包括已退役的航天器及太空碎片等，这些物体都对中国在轨航天器构成潜在威胁。为确保在近地和高轨道环境中的航天器能够安全运行，航天技术领域的关键研究重点在于在强逆光条件下对环境物体进行高分辨率和高准确率的感知探测，这些能力对于轨航天器的及时早期预警至关重要。

然而，大量研究表明，强光背景下的暗弱目标成像面临着严峻挑战，有必要深入分析当前逆光成像技术面临的挑战，梳理现有逆光探测方法的工作原理，并探索未来的发展趋势。在Science合作期刊Space: Science & Technology（《空间科学与技术（英文）》）新发表的综述文章中，哈尔滨工业大学白成超教授团队深入探讨了空间逆光成像技术的应用场景及发展现状，为推进空间逆光探测技术的发展提供有价值的见解和参考。

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首先，作者对太空逆向成像场景以及太空目标逆光成像特性进行了分析。Fig. 1展示了逆光和顺光照明检测的原理图。当入射阳光方向与探测器指向方向之间的相位角β大于90°时，定义为逆光；而相位角α小于90°则定义为顺光。在逆光条件下对目标进行成像容易出现诸如探测器饱和或因过度曝光而受损等问题，从而降低目标的成像质量，可能导致检测目标被明亮背景掩盖或者无法得到目标几何特征和细节纹理。逆光成像技术的核心就在于提升成像的动态范围，因此高动态范围（High-Dynamic-Range, HDR）成像是实现逆光背景下目标成像的必要条件。

Fig. 1 Space backlight target detection schematic diagram; the left side is the downlight, and the right side is the backlight.

随后，作者根据太阳辐射传播路径，对强光背景下暗淡目标成像技术进行了分类和总结。根据太阳辐射传播路径，当前的逆光成像技术可分为以下4种主要类型（如Fig. 2所示）：（1）光辐射能量衰减成像技术，（2）HDR探测器，（3）HDR逆光图像合成技术，（4）计算光学成像技术。

光学辐射能量衰减逆光成像技术通过在成像系统前端安装太阳光滤光片、缩小光圈和调整视场等方式，减少探测器接收的太阳光辐射，防止其饱和或损坏。常用的光辐射衰减结构包括前置滤光片、多层膜反射镜和焦平面滤光片。其中，光学领域常用的滤光片又可分为截止滤光片、带通滤光片和太阳光谱校正滤光片这几类。这些滤光片是涂有一层或多层能够改变光波传输特性的介质膜的光学元件或独立基板，通过利用这些介质膜的特性（如透射、反射、偏振和相位变化）可实现各种滤光效果。此外，缩小成像视场和光圈虽然也能减少射入探测器的太阳光辐射能量，但会显著限制探测视场，无法实现大视场感知效果。

当光学信息传至探测器时，可以采用HDR探测器来捕捉更丰富的图像细节。HDR成像可通过提高传感器灵敏度来实现，但这种方法往往会导致传感器产生非线性响应，增加了后续数字图像处理的难度。其他HDR探测成像技术，例如单传感器多次曝光融合、多传感器长曝光和短曝光信息融合、单帧空间曝光的强度调制、动态强度调制、特殊成像设备，能够获得具有HDR的图像，并实现强光背景下目标的宽带成像。目前，全球领先的传感器制造商，如索尼、三星和安森美半导体，已经开发出了HDR传感器产品及设备。

在数字成像阶段，HDR图像合成技术被用于生成更高分辨率的逆光图像，该技术通常通过融合同一场景、不同亮度范围的多次曝光来还原真实光照数据。目前，主流HDR图像合成算法主要分为两种：基于辐射度域的（Radiance-Domain-Based）方法和基于图像域的（Image-Domain-Based）方法。基于辐射度域的方法采用数学模型来建立辐射度域与图像域之间的关系，它通过像素值构建场景辐射度图以尽可能恢复整个场景的动态范围。基于图像域的方法则省去了辐射度图估计和色调映射的步骤，直接将不同曝光条件下的低动态范围图像融合成高动态范围图像。

全系统计算光学成像是一种新兴的成像技术，它将光学硬件、图像传感器和算法软件整合在一起。这种技术利用探测器前端光学成像系统处理光线，随后再恢复出数字图像，从而实现强光背景下暗弱目标的清晰成像。其中，偏振检测和波前编码是两种主要实现手段。目标固有特性所产生的电磁波反射及辐射会呈现出特定偏振状态而太阳光没有偏振特性，因而偏振检测能够获取有关目标的多维信息并消除太阳光干扰。波前编码计算光学成像技术则基于傅里叶光学原理在传统光学系统的光孔处引入了一种专门设计的非对称相位掩模，该掩模对入射光进行孔径编码和相位调制，从而分散并抑制强光。

Fig. 2 Classification diagram of backlight imaging technology based on the solar radiation propagation path. HDR, high-dynamic-range.

最后，作者进行了总结展望。一方面，随着太空探索任务复杂性不断增加，感知检测场景也会不断变化，未来的光学方法应适应复杂多变的任务环境，并根据不同场景调整照明条件，逆光成像将朝着组合结构发展。在这种结构中，前端是一个特殊的透镜系统，能够编码入射光信息；具有大动态范围的成像探测器接收宽带光信息；最终，初始编码处理后的图像信息在数字图像上被恢复，同时拍摄多场景多曝光图像进行融合。另一方面，计算光学作为一种新兴成像技术将光学硬件、图像传感器以及算法软件整合成一个统一系统，克服了传统成像技术在信息获取的深度（动态范围和光照）以及广度（光谱、三维性和视场）方面所存在的局限性。多种类型计算光学技术、系统级硬件设备以及多层次算法软件的整合，可为逆光环境和其他复杂光照条件下的计算成像应用提供了更大的灵活性和更多的解决方案。

总的来说，基于滤光片、HDR探测器、HDR图像合成、集成计算光学的新兴计算成像技术，可用于强光背景下的空间探测，这些技术为信息安全以及在轨航天器安全运行提供了关键支持。

Space：Science & Technology (《空间科学与技术（英文）》)是北京理工大学（BIT）、中国空间技术研究院（CAST）和美国科学促进会（AAAS）/Science共同打造的综合性高水平国际化英文科技期刊，同时也是AAAS自创建Science以来的第一本航天领域的伙伴期刊。“人民科学家”国家荣誉称号获得者、中国科学院院士、中国空间技术研究院顾问叶培建研究员担任主编。国际宇航科学院生命科学学部主席、北京理工大学邓玉林教授担任执行主编。

期刊旨在聚焦国际航天领域最新发展方向和趋势，展示航天领域最新研究与探索活动中发现的新理论、新应用与新成果，推动航天的探索研究，引领航天领域交叉科学的快速融合与技术突破，为专业研究人员和工程技术人员提供专业的学术交流和信息传播平台。

期刊于2021年2月正式发布创刊词，已入选“中国科技期刊卓越行动计划”英文梯队期刊项目、2025年度支持高水平国际科技期刊建设-强刊提升项目、“首都科技期刊卓越行动计划”重点英文科技期刊支持项目。同时被Ei Compendex、Web of Science核心合集ESCI（2025年6月公布影响因子为6.8）、Scopus、INSPEC、DOAJ、CNKI、SAO/NASA-ADS、CSCD等数据库收录，并入选2025年中国科学院文献情报中心分区物理与天体物理大类一区TOP，天文与天体物理和工程：宇航小类一区。